CN103871886B - 晶体管的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种晶体管的形成方法，包括：提供半导体衬底，在半导体衬底上形成有伪栅极、位于伪栅极两侧的半导体衬底中的源区和漏区；在半导体衬底上形成层间介质层，覆盖所述源区和漏区；形成层间介质层后，使用干法刻蚀去除所述伪栅极，形成伪栅沟槽；在干法刻蚀去除所述伪栅极后，使用湿法腐蚀去除在所述干法刻蚀过程中产生的聚合物，其中，使用的腐蚀剂的PH值大于6小于7或大于7小于8，且所述腐蚀剂中包含氟化物；在湿法腐蚀去除所述聚合物后，在所述伪栅沟槽中形成栅极。使用本发明的腐蚀剂，伪栅沟槽侧壁和底部的聚合物基本去除，栅极可以与栅介质层，也与伪栅沟槽侧壁的栅极形成无障碍接触。本发明晶体管的形成方法提升了晶体管的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种晶体管的形成方法。
背景技术
在现有技术中，“后栅（gate last)”工艺为形成金属栅极的一个主要工艺。这种技术的特点是在对硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的高温退火步骤完成之后再形成金属栅极。
在现有技术的后栅工艺中，形成晶体管的方法，通常包括：首先，在半导体衬底上形成伪栅极；之后，在伪栅极两侧的半导体衬底中形成源区和漏区；接着，在半导体衬底上形成层间介质层，覆盖源区和漏区，层间介质层的上表面与伪栅极上表面持平；紧接着，刻蚀去除伪栅极，在层间介质层中形成伪栅沟槽；最后，在所述伪栅沟槽中填充金属，形成金属栅极。
但是，使用现有技术的后栅工艺制作的半导体器件的性能不佳。
更多关于后栅工艺的知识，请参考2011年5月4日公开的、公开号为CN102044421A的中国专利文献。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术的后栅工艺形成的晶体管性能不佳。
为解决上述问题，本发明提供一种新的晶体管的形成方法，包括：
提供半导体衬底，在半导体衬底上形成有伪栅极、位于伪栅极两侧的半导体衬底中的源区和漏区；
在半导体衬底上形成层间介质层，覆盖所述源区和漏区；
形成层间介质层后，使用干法刻蚀去除所述伪栅极，形成伪栅沟槽；
在干法刻蚀去除所述伪栅极后，使用湿法腐蚀去除在所述干法刻蚀过程中产生的聚合物，其中，使用的腐蚀剂的PH值大于6小于7或大于7小于8，且所述腐蚀剂中包含氟化物；
在湿法腐蚀去除所述聚合物后，在所述伪栅沟槽中形成栅极。
可选的，所述氟化物包括：氢氟酸或氢氟乙烯。
可选的，所述腐蚀剂还包括双氧水，双氧水的浓度（质量）小于1%。
可选的，使用干法刻蚀去除所述伪栅极，使用的刻蚀气体为O2。
可选的，使用干法刻蚀去除所述伪栅极，使用的刻蚀气体还包括NF3、HBr或CF4中的一种或多种。
可选的，形成伪栅极、源区、漏区的方法，包括：
沉积伪栅极材料，覆盖半导体衬底；
图形化所述伪栅极材料，形成所述伪栅极；
在所述伪栅极两侧的半导体衬底中进行离子注入，形成源区和漏区。
可选的，所述伪栅极的材料包括多晶硅、氮化硅或无定形碳。
可选的，形成栅极的方法，包括：
沉积导电材料，覆盖层间介质层、填充伪栅沟槽；
去除高出所述层间介质层的导电材料，剩余所述伪栅沟槽中的导电材料，作为栅极。
可选的，还包括形成位于所述栅极下的高K介质层，作为栅介质层；
形成所述高K介质层的方法，包括：
在湿法腐蚀去除所述聚合物后，沉积所述导电材料前，沉积高K介质层材料，覆盖层间介质层、填充伪栅沟槽；
去除高出所述层间介质层的导电材料时，也去除高出层间介质层的高K介质层材料，剩余所述伪栅沟槽中的高K介质层，作为栅介质层。
可选的，去除高出所述层间介质层的导电材料的方法，包括化学机械抛光或回刻。
可选的，所述栅极的材料包括：Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、W、WN、WSi的一种或多种。
可选的，还包括：在半导体衬底上形成源区和漏区之前，形成位于所述伪栅极周围的侧墙。
可选的，形成位于伪栅极周围的侧墙的方法，包括：沉积侧墙材料，覆盖半导体衬底、伪栅极；
使用回刻工艺刻蚀所述侧墙材料，在伪栅极周围形成侧墙。
可选的，所述层间介质层的材料为氧化硅。
可选的，所述晶体管为N型晶体管或P型晶体管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明针对后栅工艺，去除伪栅极的过程，提供了一种新的湿法腐蚀方法，以去除干法刻蚀伪栅极过程形成并附着在伪栅沟槽的侧壁和底部的聚合物。在本发明中，湿法腐蚀过程的腐蚀剂的PH值大于6小于7或大于7小于8，且所述腐蚀剂中包含氟化物。该腐蚀剂具有弱酸或弱碱性，在去除聚合物的过程中，不会对伪栅沟槽的侧壁或底部造成损伤，也不会对相邻半导体器件造成损伤。腐蚀剂中的氟化物是去除聚合物中的氧化物及含硅聚合物的有效成分。使用本发明的腐蚀剂，伪栅沟槽中的聚合物基本去除，伪栅沟槽具有较平坦的侧壁。这样，在伪栅沟槽中形成栅极，所述栅极在伪栅沟槽侧壁处具有较齐整的表面，稳定并改善了晶体管的性能，提升晶体管的可靠性。另外，伪栅沟槽底部的聚合物也基本去除，导电材料可以与伪栅沟槽底部的栅介质层，也与伪栅沟槽侧壁的栅极形成无障碍接触。也就是说，本发明的晶体管的形成方法避免了聚合物可能对晶体管性能的影响，进一步改善了晶体管的性能。
附图说明
图1是本发明具体实施例的晶体管的形成方法的流程示意图；
图2～图5是本发明具体实施例的晶体管的形成方法的剖面结构示意图。
具体实施方式
发明人针对现有技术的后栅工艺存在的问题，进行了研究，发现：在使用干法刻蚀去除伪栅极中，会生成聚合物，附着在伪栅沟槽的底部和侧壁。例如干法刻蚀工艺中，通常向刻蚀反应腔内通入氧气，部分氧气会与多晶硅或刻蚀反应腔内的其他物质发生反应，生成氧化物，氧化物可视为聚合物的一种成分。虽然，后续使用湿法腐蚀去除聚合物，但是现有技术中通常使用的腐蚀剂为N-甲基吡咯烷酮（NMP，N-methyl-2-pyrrolidone）溶剂或EKC溶剂(由杜邦EKC科技公司提供的一种碱性溶液)。NMP溶剂与EKC溶剂均具有强碱性，在去除聚合物的同时，也对相邻半导体器件造成了损伤而且NMP溶剂或EKC溶剂的腐蚀去除聚合物的能力不佳，大部分聚合物是无法去除的。这会产生如下问题：伪栅沟槽的侧壁上含有残留聚合物，使得伪栅沟槽的侧壁是不平坦的，伪栅沟槽的侧壁具有表面凸出部分。这样，在伪栅沟槽中形成的金属栅极在伪栅沟槽侧壁处具有凹凸不平的表面，进而影响到晶体管的性能。而且，未去除干净的聚合物与栅极直接接触，也会影响到晶体管的性能。
发明人针对上述问题，经过创造性劳动，得到一种新的半导体器件的形成方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
参照图2，并结合参照图1，执行步骤S11，提供半导体衬底100，在半导体衬底100上形成有伪栅极101、位于伪栅极101两侧的半导体衬底100中的源区102和漏区103。
在具体实施例中，所述半导体衬底100的材料可以为单晶硅、单晶锗或单晶硅锗；也可以是绝缘体上硅（SOI）；或者还可以包括其它的材料，例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。在所述半导体衬底100中形成有器件结构(图中未示)，例如隔离沟槽结构等隔离结构用于相邻晶体管之间的隔离。
在具体实施例中，在伪栅极101下的半导体衬底100上还形成有氮化钛层（未示出），氮化钛层可以在后续伪栅沟槽中形成栅极时，阻挡栅极的导电材料向沟道区中扩散。
在具体实施例中，形成伪栅极101的方法，包括：在半导体衬底100上沉积伪栅极材料，选择化学气相沉积工艺，伪栅极材料覆盖半导体衬底100；图形化伪栅极材料，形成伪栅极101。所述图形化伪栅极材料为：在伪栅极材料层上形成图形化的光刻胶层，定义待形成的伪栅极的位置；以所述图形化的光刻胶层为掩模，刻蚀伪栅极材料，至半导体衬底100停止，若在伪栅极101下形成有氮化钛层，至氮化钛层停止；去除图形化的光刻胶层。
在具体实施例中，所述伪栅极101的材料选择多晶硅、氮化硅或无定形碳。在本实施例中，选择多晶硅，并以多晶硅为例进行后续方案的阐述。
在具体实施例中，在伪栅极101的周围还形成有侧墙（未示出）。在形成伪栅极101后，在形成位于半导体衬底100中的源区和漏区之前，在伪栅极101的周围形成侧墙。形成侧墙的方法，包括：沉积侧墙材料，覆盖半导体衬底、伪栅极；使用回刻工艺刻蚀所述侧墙材料，在伪栅极周围形成侧墙。通常，侧墙的材料选择氧化硅。
在具体实施例中，形成源区102、漏区103的方法，包括：在伪栅极101上形成掩模层；以所述掩模层为掩模，进行离子注入，在半导体衬底100中形成源区102和漏区103。其中，注入的离子类型，根据待形成的晶体管的类型确定。若待形成的晶体管为NMOS晶体管，则离子注入的类型为P型离子，如硼；若待形成的晶体管为PMOS晶体管，则离子注入的类型为N型离子。具体工艺条件为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
参照图3，并结合图1，执行步骤S12，在半导体衬底100上形成层间介质层104，覆盖源区102和漏区103。
在具体实施例中，层间介质层104的材料通常选择氧化硅，当然还有其他可选材料，可以根据实际需要进行选择。形成层间介质层104的步骤，一般是先沉积，再进行平坦化处理，例如化学机械抛光或回刻，以使层间介质层104的上表面与伪栅极101的上表面持平。
参照图4，并结合图1，执行步骤S13，形成层间介质层104后，使用干法刻蚀去除所述伪栅极101，形成伪栅沟槽105。
在具体实施例中，使用干法刻蚀工艺，可以得到具有较垂直侧壁的伪栅沟槽。在干法刻蚀过程中，会产生刻蚀生成物，该刻蚀生成物会沉积在伪栅沟槽105的侧壁和底部。在干法刻蚀中，通常向刻蚀反应腔内通入O2，可以起到去除伪栅极101的作用，并能补充层间介质层104在刻蚀过程中所损失的氧。但是，在产生上述正面作用的同时，通入的氧气也与某些反应物反应生成了氧化物，该氧化物与前述刻蚀生成物一起作为干法刻蚀过程中形成的聚合物。除了向刻蚀反应腔内通入O2之外，在干法刻蚀过程中还包括向反应腔内通入NF4、HBr或CF4等气体的一种或多种，一般为它们中多种的混合气体。这些聚合物必须在干法刻蚀后去除，否则会影响晶体管的性能。
因此，在干法刻蚀去除伪栅极101后，继续参照图4，并结合图1，执行步骤S14，使用湿法腐蚀去除在干法刻蚀过程中产生的聚合物，其中，使用的腐蚀剂的PH值大于6小于7或大于7小于8，且腐蚀剂中包含氟化物。
在具体实施例中，所述腐蚀剂的PH值大于6小于7或大于7小于8，具有弱酸或弱碱性，不会损伤伪栅沟槽的侧壁和底部，且也不会损伤相邻的半导体器件。而且，其中的氟化物可以去除大部分的含硅聚合物及氧化物，而含硅聚合物亦是聚合物中的主要成分。因此，本发明使用的腐蚀剂不仅可以去除残留在伪栅沟槽侧壁和底部的聚合物，还可以避免对相邻半导体器件造成损伤。在具体实施中，所述氟化物包括氢氟酸或氢氟乙烯等成分。
在具体实施例中，所述腐蚀剂还可包括双氧水（H2O2），其中H2O2的浓度（质量）范围为小于1%，双氧水可以有效增强去除氧化物的效果。对双氧水浓度范围选择小于1%，可以减小双氧水对相邻半导体器件产生损伤的可能性。
在本实施例中，所述腐蚀剂选择ATMI.Inc生产的ATMI TK12-6溶剂。其中，ATMITK12-6溶剂的PH值大于6小于7，具有弱酸性，该溶剂中含有浓度（质量）为0.6%的双氧水、氟化物等成分。在具体生产中，进行湿法腐蚀的持续时间大约2min，腐蚀速率大约为而现有技术中的腐蚀剂，如EKC溶剂，PH值大约为9，具有强碱性及较高浓度的双氧水，会损伤其他半导体器件，且EKC的腐蚀速率较大，会在腐蚀去除聚合物过程中，额外腐蚀其他半导体器件。ATMI TK12-6溶剂的腐蚀速率较小，避免了对相邻半导体器件中的金属或其他物质造成额外腐蚀。
在本实施例中，湿法腐蚀去除了残留在伪栅沟槽105侧壁和底部的聚合物，使得伪栅沟槽105的侧壁和底部平坦，也避免了聚合物对晶体管性能的消极影响。
参照图4和图5，并结合图1，执行步骤S15，在湿法腐蚀去除聚合物后，在伪栅沟槽105中形成栅极106。栅极106可以为金属栅极，或其他导电材料的栅极。
在具体实施例中，形成栅极106的方法，包括：沉积导电材料，覆盖层间介质层104和填充伪栅沟槽105；去除高出层间介质层104的导电材料，剩余伪栅沟槽105中的导电材料。在本实施例中，可以使用化学机械抛光或回刻蚀工艺，去除高出层间介质层104的导电材料，包括去除层间介质层104上表面的导电材料和去除超过伪栅沟槽105的导电材料。
在具体生产中，在栅极106与半导体衬底100之间还形成有高K介质层，作为栅介质层（未示出）。形成高K介质层的方法包括：在湿法腐蚀去除聚合物后，沉积所述导电材料前，沉积高K介质层材料，覆盖层间介质层并填充伪栅沟槽；接着，去除高出所述层间介质层的导电材料时，也去除掉高出层间介质层的高K介质层，这样，在伪栅沟槽的侧壁和底部剩余的高K介质层，作为栅介质层。当然，在具体实施例中，也可以先在伪栅沟槽底部形成高K介质层，在形成高K介质层后，接着在在伪栅沟槽中的高K介质层上形成栅极。高K介质层的栅介质层配合栅极106，如金属栅极，可以得到较佳性能的晶体管。晶体管的类型可以为N型晶体管或P型晶体管。
在具体实施例中，导电材料包括Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、W、WN、WSi的一种或多种。在具体生产中，根据待形成的晶体管的类型确定导电材料的具体范围。
由于，在执行步骤S14后，湿法腐蚀去除了伪栅沟槽105中的残留聚合物，形成的栅极106在伪栅沟槽105处具有较平坦的表面，提高了晶体管的性能。另外，伪栅沟槽105侧壁和底部的聚合物基本去除，导电材料可以与伪栅沟槽105底部的栅介质层无障碍接触。也就是说，避免了聚合物可能对晶体管性能的影响，改善了晶体管的性能，提升可晶体管的可靠性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (12)
1.一种晶体管的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，在半导体衬底上形成有伪栅极、位于伪栅极两侧的半导体衬底中的源区和漏区，所述伪栅极的材料为多晶硅、氮化硅或无定形碳；
在半导体衬底上形成层间介质层，覆盖所述源区和漏区；
形成层间介质层后，使用干法刻蚀去除所述伪栅极，形成伪栅沟槽，使用的刻蚀气体为O2；
在干法刻蚀去除所述伪栅极后，使用湿法腐蚀去除在所述干法刻蚀过程中产生的聚合物，其中，使用的腐蚀剂的PH值大于6小于7或大于7小于8，且所述腐蚀剂中包含氟化物，所述氟化物包括含氟乙烯；
在湿法腐蚀去除所述聚合物后，在所述伪栅沟槽中形成栅极。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述腐蚀剂还包括双氧水，双氧水的质量浓度小于1％。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，使用干法刻蚀去除所述伪栅极，使用的刻蚀气体还包括NF3、HBr或CF4中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成伪栅极、源区、漏区的方法，包括：
沉积伪栅极材料，覆盖半导体衬底；
图形化所述伪栅极材料，形成所述伪栅极；
在所述伪栅极两侧的半导体衬底中进行离子注入，形成源区和漏区。
5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成栅极的方法，包括：
沉积导电材料，覆盖层间介质层、填充伪栅沟槽；
去除高出所述层间介质层的导电材料，剩余所述伪栅沟槽中的导电材料，作为栅极。
6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，还包括形成位于所述栅极下的高K介质层，作为栅介质层；
形成所述高K介质层的方法，包括：
在湿法腐蚀去除所述聚合物后，沉积所述导电材料前，沉积高K介质层材料，覆盖层间介质层、填充伪栅沟槽；
去除高出所述层间介质层的导电材料时，也去除高出层间介质层的高K介质层材料，剩余所述伪栅沟槽中的高K介质层，作为栅介质层。
7.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，去除高出所述层间介质层的导电材料的方法，包括化学机械抛光或回刻。
8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述栅极的材料包括：Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、W、WN、WSi的一种或多种。
9.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，还包括：在半导体衬底上形成源区和漏区之前，形成位于所述伪栅极周围的侧墙。
10.如权利要求9所述的形成方法，其特征在于，形成位于伪栅极周围的侧墙的方法，包括：沉积侧墙材料，覆盖半导体衬底、伪栅极；
使用回刻工艺刻蚀所述侧墙材料，在伪栅极周围形成侧墙。
11.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述层间介质层的材料为氧化硅。
12.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述晶体管为N型晶体管或P型晶体管。
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